石化裂解工業中的SRT-Ⅳ裂解爐原理分析

趙魯寧劉炳成

（1.齊魯石化公司烯烴廠 山東 淄博市 255411）

（2.青島科技大學 山東青島市 266061）

在目前石化裂解工業中普遍采用的裂解爐型式是SRT-Ⅳ裂解爐。SRT-Ⅳ裂解爐大致上可分為二大部分，有對流加熱區和裂解反應輻射區。在對流加熱區這部分，是將裂解原料預熱，并且和適當比例的過熱蒸汽混合，根據爐膛燃料的燃燒，去生成煙道氣來加熱接近裂解溫度，再進入裂解爐輻射區的爐膛管內。在輻射區爐墻的噴嘴是能將燃料生成的火焰導向耐火磚墻，可避免火焰直接沖擊爐管，此種設計可使爐管的不均勻加熱減至最低，且也有避免熱斑（hotspots）產生的危險。爐膛管則是吸收耐火磚墻以輻射方式所提供的大量的熱量，作為熱裂解反應之所需。

一、SRT-Ⅳ裂解爐裂解反應過程

裂解過程是十分復雜的化學反應過程，而影響產品分布的因素有很多，其中主要的有原料組成、裂解溫度、反應停留時間與碳氫化合物的分壓。

1.原料組成：不同組成的裂解原料，因其物性與化性的不同，裂解后的產品分布情況也會有所不一樣。適當的裂解原料主要有兩大要求：一是高產率的目的產物；二是要求原料在高溫條件下結焦生碳的量盡可能少，以確保裂解爐運轉周期盡可能的延長。以輕油而言，一般以PIONA值對裂解原料進行評價，所謂的PIONA是指裂解原料中烷烴族（paraffins）、異烷烴族（isoparaffins）、烯烴族（olefins）、環烷烴族（naphthenes）與芳香烴族（aromotics）各自的質量百分比。由于烷烴最易分解，其含量愈高則烯烴產率愈高，結焦量會愈小；當芳香烴含量愈高不但對烯烴產率提高無益，反而會使結焦趨勢更甚。所以分析裂解原料的PIONA值，可以評價原料的裂解反應。顯然的是高比例的烷烴、低含量的芳香烴是理想的裂解原料。

2.裂解溫度：裂解溫度影響反應原料的轉化率、烯烴的產率，然而本身卻受到裂解原料、反應停留時間、產品分布要求、裂解技術等因素的限制。不同裂解原料有不同適當的裂解溫度。一般較輕的原料，裂解溫度會較低；相反的，較重的原料，其裂解溫度會較高。需要的目的產物不同，可以選擇不同的裂解溫度予以調整。如果目的產物的主要產品為乙烯，則裂解溫度可以適當的調整；如果要兼顧丙烯的生產，裂解溫度則可適當的降低。由于初級反應是吸熱反應，因此高裂解溫度是有利于初級反應的進行，但高溫也同時會提高二級反應的絕對反應速度，由于二級反應為串聯副反應，所以應采用較短暫的停留時間，使初級反應生成的烯烴來不及進行二級反應，便經過驟冷程序終止裂解反應，以獲取高產率的烯烴。

3.反應停留時間：反應時間的長短會直接影響到初級反應產物和二級反應產物的比例。一定反應條件，對于裂解物料都有一定的適當停留時間。如停留時間太短，則連初級反應都會來不及進行，而導致大部分的原料未反應就離開反應區，因此原料轉化率與目的產物的產率都會很低；然而若停留時間過長，會使初級反應生成的烯烴消耗，不僅讓主產物的產率降低，而且也會使結焦情況更為嚴重，進而縮短操作周期，影響正常生產。

適當的停留時間既可使初級反應充分進行，且又能有效的抑制并減少二級反應的發生。裂解溫度高，則停留時間必須相對的縮減，不僅要求供熱快，而且裂解后生成物也必須要迅速驟冷至裂解溫度以下，以免因二級反應的進行，而改變產品分布減少主產物的產率。

4.碳氫化合物分壓：碳氫分壓不能改變反應速率常數，但可以根據濃度影響反應速度。由于裂解過程的初級反應的反應階數一般都會小于二級反應的階數，因此碳氫分壓降低可增大初級反應與二級反應的相對反應速度，因此碳氫裂解壓力的降低對于初級反應是有利的，且也能抑制二級反應。工業上常采用稀釋劑以降低烴類的分壓。理想氣體系統中，總壓為各個成份分壓的總合，即氫氣、烴類與稀釋劑形成的混合氣體壓力為總壓。

二、裂解爐裂解原理

烯烴是石油化學的重要原料，它不含于原油中，除煉油時由裂解氣獲得一部份外，多數的烯烴均藉由烴類的裂解（Cracking或Pyrolysis）來產制。

裂解過程中會發生脫氫或分子鏈斷裂的反應：

由此產生的烯烴會再經過進一步的分解或縮合。裂解產物計有烯烴、雙烯烴、芳香烴、環烷烴以及乙炔等。

三、裂解產能與產率分解

產率分布與爐管位置的變化方面，產率較高的乙烯、丙烯、丁烯及甲烷的產率分布，乙烯的產率增加趨勢在爐管的前半部比較大，后段就保持約一定的增加趨勢，這是因為剛開始產生裂解時，輕油裂解的主要反應產物為乙烯，然后漸漸地其它副產物逐漸增加，隨著溫度升高不但使一級反應加速了，也增加了二級反應的速率，促使乙烯產率的增加趨勢稍微減緩，但由于某些也可反應生成乙烯物質（丙烯、丁烷）的生成，使得乙烯的產率能保持一定的趨勢。至于甲烷、丙烯及丁烯，丁烯一開始的產率增加趨勢較大，而丙烯則略小于甲烷、丁烯，但都很平緩地增加；但在后半段的時候，丁烯和丙烯都會有下降的趨勢，其原因是在后半段的溫度較高，增加了二級反應的速度，所以產率會因此而減緩甚至下降。

在產率分布與爐管位置的變化方面，一些產率較低的副產物的產率分布，可看出乙烷的產率升到一個頂點的后又向下減少，主要是因為前半段的溫度、壓力及反應物的含量適合它們的生成，后半段則是快速地反應生成它物。乙炔則在一開始時，其上升趨勢較緩和，但在后半段會漸漸增大；而氫氣的上升趨勢都較為平均。

在產率分布與爐管位置的方面，根據一些產率較低的副產物的產率分布狀況。可以明顯的看出丁炔一開始的增加趨勢就遠大于其他物質，但在后半段其會到達一最高點，接著便會開始下降，是因其后半段生成環境不適合其生成，而丁烷跟丙烷也是如此，一開始是上升的趨勢，但到達到最高點便會開始下降；只有苯的增加趨勢在中段明顯上升，其原因可能是在中段的后的壓力、溫度等適合它的生成。

在產率分布與爐管位置的關系變化方面，其物質都是增加的趨勢；其趨勢一開始是平緩的增加，一到了后半段時，便有明顯的上升趨勢；其原因可能是后半段的一些因素都較適合它們生長。從產率的分布不但可看出個物質間產率的消長的外，也可從它們的中研究如何改變操作條件或反應器的設計，來達到最優化的需求。

在熱通量與爐管位置的變化關系方面，熱傳通量是隨著爐管位置增加而逐漸減小，其原因在于爐膛有效溫度與爐管表皮溫度的溫差逐漸縮小所致的結果。爐管前半段部分的熱通量有先上升再下降的趨勢，是前半段部分被吸收去反應而使得熱通量較高，最后因溫度接近且爐管溫度上升趨緩，所以熱通量的變化也會變緩。

在裂解氣溫度與內外管壁對爐管位置的變化關系方面，在起始階段溫度上升較快，因在剛開始時，反應并無放出熱量，僅靠著爐管所提供的熱量，且爐膛溫度大于流體溫度，故溫度有上升較快的趨勢；然而接著上升的趨勢較為緩和，其原因是爐管溫度與爐膛溫度的溫度減低而降低了熱通量的故。另外，從也可看出爐管壁的溫度與流體溫度漸趨接近。

在壓力降與爐管位置的變化關系方面，壓降趨勢在反應爐管中末段部分越趨明顯，其原因是反應轉化率較高，管內流體體積增加較多，以致流速增加較快，引起的壓降較為明顯。此外，壓降趨勢有明顯折線的部分，是因爐管彎曲部分所引起的額外壓降。

在流速對爐管位置的變化關系方面，計算結果顯示爐管后段流速明顯的上升，這是導致壓力明顯降低的因素，又流體的速度均小于同狀況下的音速，顯示此為合理的操作。

總結

熱裂解技術是目前石化工業產制烯聽最主要的方法，而乙烯的需求量也日益增大。以輕油為原料的裂解工廠，可以得到相當高的乙烯產率，所以在目前的輕油裂解工廠常會保留乙烷裂解爐，來獲得較佳的經濟效益。

[1]韋劉軻.乙烯裂解爐非均勻性及其影響的數值模擬研究[D].北京化工大學2010.

[2]劉麗雙.裂解爐高壓蒸汽管線失效分析[D].大慶石油學院2010.